PWM 是 Pulse Width Modulation 的縮寫，它的中文名字是脈沖寬度調(diào)制，一種說法是它利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種有效的技術(shù)，其實(shí)就是使用數(shù)字信號達(dá)到一個模擬信號的效果。這是個什么概念呢？我們一步步來介紹。

首先從它的名字來看，脈沖寬度調(diào)制，就是改變脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)不同的效果。我們先來看三組不同的脈沖信號，如圖10-1所示。

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圖10-1 PWM 波形

這是一個周期是 10 ms，即頻率是 100 Hz 的波形，但是每個周期內(nèi)，高低電平脈沖寬度各不相同，這就是 PWM 的本質(zhì)。在這里大家要記住一個概念，叫做“占空比”。占空比是指高電平的時間占整個周期的比例。比如第一部分波形的占空比是40%，第二部分波形占空比是60%，第三部分波形占空比是80%，這就是 PWM 的解釋。

那為何它能對模擬電路進(jìn)行控制呢？大家想一想，我們數(shù)字電路里，只有0和1兩種狀態(tài)，比如我們第2章學(xué)會的點(diǎn)亮 LED 小燈那個程序，當(dāng)我們寫一個 LED = 0;小燈就會長亮，當(dāng)我們寫一個 LED = 1;小燈就會滅掉。當(dāng)我們讓小燈亮和滅間隔運(yùn)行的時候，小燈是閃爍。

如果我們把這個間隔不斷的減小，減小到我們的肉眼分辨不出來，也就是 100 Hz 以上的頻率，這個時候小燈表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是既保持亮的狀態(tài)，但亮度又沒有 LED = 0;時的亮度高。那我們不斷改變時間參數(shù)，讓 LED = 0;的時間大于或者小于 LED = 1;的時間，會發(fā)現(xiàn)亮度都不一樣，這就是模擬電路的感覺了，不再是純粹的0和1，還有亮度不斷變化。大家會發(fā)現(xiàn)，如果我們用 100 Hz 的信號，如圖10-1所示，假如高電平熄滅小燈，低電平點(diǎn)亮小燈的話，第一部分波形熄滅 4 ms，點(diǎn)亮 6 ms，亮度最高，第二部分熄滅 6 ms，點(diǎn)亮 4 ms，亮度次之，第三部分熄滅 8 ms，點(diǎn)亮 2 ms，亮度最低。那么用程序驗(yàn)證一下我們的理論，我們用定時器 T0 定時改變 P0.0 的輸出來實(shí)現(xiàn) PWM，與純定時不同的是，這里我們每周期內(nèi)都要重載兩次定時器初值，即用兩個不同的初值來控制高低電平的不同持續(xù)時間。為了使亮度的變化更加明顯，程序中使用的占空比差距更大。

#include <reg52.h>
sbit PWMOUT = P0^0;
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;

unsigned char HighRH = 0; //高電平重載值的高字節(jié)
unsigned char HighRL = 0; //高電平重載值的低字節(jié)
unsigned char LowRH = 0; //低電平重載值的高字節(jié)
unsigned char LowRL = 0; //低電平重載值的低字節(jié)

void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc);
void ClosePWM();

void main(){
    unsigned int i;
    EA = 1; //開總中斷
    ENLED = 0; //使能獨(dú)立 LED
    ADDR3 = 1;
    ADDR2 = 1;
    ADDR1 = 1;
    ADDR0 = 0;

    while (1){
        ConfigPWM(100, 10); //頻率 100 Hz，占空比 10%
        for (i=0; i<40000; i++);
        ClosePWM();
        ConfigPWM(100, 40); //頻率 100 Hz，占空比 40%
        for (i=0; i<40000; i++);
        ClosePWM();
        ConfigPWM(100, 90); //頻率 100 Hz，占空比 90%
        for (i=0; i<40000; i++);
        ClosePWM(); //關(guān)閉 PWM，相當(dāng)于占空比100%
        for (i=0; i<40000; i++);
    }
}
/* 配置并啟動 PWM，fr-頻率，dc-占空比 */
void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc){
    unsigned int high, low;
    unsigned long tmp;

    tmp = (11059200/12) / fr; //計(jì)算一個周期所需的計(jì)數(shù)值
    high = (tmp*dc) / 100; //計(jì)算高電平所需的計(jì)數(shù)值
    low = tmp - high; //計(jì)算低電平所需的計(jì)數(shù)值
    high = 65536 - high + 12; //計(jì)算高電平的重載值并補(bǔ)償中斷延時
    low = 65536 - low + 12;//計(jì)算低電平的重載值并補(bǔ)償中斷延時

    HighRH = (unsigned char)(high>>8); //高電平重載值拆分為高低字節(jié)
    HighRL = (unsigned char)high;
    LowRH = (unsigned char)(low>>8); //低電平重載值拆分為高低字節(jié)
    LowRL = (unsigned char)low;

    TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位
    TMOD |= 0x01; //配置 T0 為模式1
    TH0 = HighRH; //加載 T0 重載值
    TL0 = HighRL;
    ET0 = 1; //使能 T0 中斷
    TR0 = 1; //啟動 T0
    PWMOUT = 1; //輸出高電平
}
/* 關(guān)閉 PWM */
void ClosePWM(){
    TR0 = 0; //停止定時器
    ET0 = 0; //禁止中斷
    PWMOUT = 1; //輸出高電平
}
/* T0 中斷服務(wù)函數(shù)，產(chǎn)生 PWM 輸出 */
void InterruptTimer0() interrupt 1{
    if (PWMOUT == 1){ //當(dāng)前輸出為高電平時，裝載低電平值并輸出低電平
        TH0 = LowRH;
        TL0 = LowRL;
        PWMOUT = 0;
    }else{ //當(dāng)前輸出為低電平時，裝載高電平值并輸出高電平
        TH0 = HighRH;
        TL0 = HighRL;
        PWMOUT = 1;
    }
}

需要提醒大家的是，由于標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)中沒有專門的 PWM 模塊，所以我們用定時器加中斷的方式來產(chǎn)生 PWM，而現(xiàn)在有很多的單片機(jī)都會集成硬件的 PWM 模塊，這種情況下需要我們做的就僅僅是計(jì)算一下周期計(jì)數(shù)值和占空比計(jì)數(shù)值然后配置到相關(guān)的 SFR 中即可，既使程序得到了簡化又確保了 PWM 的輸出品質(zhì)（因?yàn)橄酥袛嘌訒r的影響）。

大家編譯下載程序后，會發(fā)現(xiàn)小燈從最亮到滅一共4個亮度等級。如果我們讓亮度等級更多，并且讓亮度等級連續(xù)起來，會產(chǎn)生一個小燈漸變的效果，與呼吸有點(diǎn)類似，所以我們習(xí)慣上稱之為呼吸燈，程序代碼如下，這個程序用了2個定時器2個中斷，這是我們第一次這樣用，大家可以學(xué)習(xí)一下。我們來試試這個程序，試完了大家一定要能自己把程序?qū)懗鰜恚杏洝?

#include <reg52.h>
sbit PWMOUT = P0^0;
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;

unsigned long PeriodCnt = 0; //PWM 周期計(jì)數(shù)值
unsigned char HighRH = 0; //高電平重載值的高字節(jié)
unsigned char HighRL = 0; //高電平重載值的低字節(jié)
unsigned char LowRH = 0; //低電平重載值的高字節(jié)
unsigned char LowRL = 0; //低電平重載值的低字節(jié)
unsigned char T1RH = 0; //T1 重載值的高字節(jié)
unsigned char T1RL = 0; //T1 重載值的低字節(jié)

void ConfigTimer1(unsigned int ms);
void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc);

void main(){
    EA = 1; //開總中斷
    ENLED = 0; //使能獨(dú)立 LED
    ADDR3 = 1;
    ADDR2 = 1;
    ADDR1 = 1;
    ADDR0 = 0;

    ConfigPWM(100, 10); //配置并啟動 PWM
    ConfigTimer1(50); //用 T1 定時調(diào)整占空比
    while (1);
}
/* 配置并啟動 T1，ms-定時時間 */
void ConfigTimer1(unsigned int ms){
    unsigned long tmp; //臨時變量
    tmp = 11059200 / 12; //定時器計(jì)數(shù)頻率
    tmp = (tmp * ms) / 1000; //計(jì)算所需的計(jì)數(shù)值
    tmp = 65536 - tmp; //計(jì)算定時器重載值
    tmp = tmp + 12; //補(bǔ)償中斷響應(yīng)延時造成的誤差
    T1RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定時器重載值拆分為高低字節(jié)
    T1RL = (unsigned char)tmp;
    TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位
    TMOD |= 0x10; //配置 T1 為模式1
    TH1 = T1RH; //加載 T1 重載值
    TL1 = T1RL;
    ET1 = 1; //使能 T1 中斷
    TR1 = 1; //啟動 T1
}
/* 配置并啟動 PWM，fr-頻率，dc-占空比 */
void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc){
    unsigned int high, low;
    PeriodCnt = (11059200/12) / fr; //計(jì)算一個周期所需的計(jì)數(shù)值
    high = (PeriodCnt*dc) / 100; //計(jì)算高電平所需的計(jì)數(shù)值
    low = PeriodCnt - high; //計(jì)算低電平所需的計(jì)數(shù)值
    high = 65536 - high + 12; //計(jì)算高電平的定時器重載值并補(bǔ)償中斷延時
    low = 65536 - low + 12; //計(jì)算低電平的定時器重載值并補(bǔ)償中斷延時
    HighRH = (unsigned char)(high>>8); //高電平重載值拆分為高低字節(jié)
    HighRL = (unsigned char)high;
    LowRH = (unsigned char)(low>>8); //低電平重載值拆分為高低字節(jié)
    LowRL = (unsigned char)low;

    TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位
    TMOD |= 0x01; //配置 T0 為模式1
    TH0 = HighRH; //加載 T0 重載值
    TL0 = HighRL;
    ET0 = 1; //使能 T0 中斷
    TR0 = 1; //啟動 T0
    PWMOUT = 1; //輸出高電平
}
/* 占空比調(diào)整函數(shù)，頻率不變只調(diào)整占空比 */
void AdjustDutyCycle(unsigned char dc){
    unsigned int high, low;
    high = (PeriodCnt*dc) / 100; //計(jì)算高電平所需的計(jì)數(shù)值
    low = PeriodCnt - high; //計(jì)算低電平所需的計(jì)數(shù)值
    high = 65536 - high + 12; //計(jì)算高電平的定時器重載值并補(bǔ)償中斷延時
    low = 65536 - low + 12; //計(jì)算低電平的定時器重載值并補(bǔ)償中斷延時

    HighRH = (unsigned char)(high>>8); //高電平重載值拆分為高低字節(jié)
    HighRL = (unsigned char)high;
    LowRH = (unsigned char)(low>>8); //低電平重載值拆分為高低字節(jié)
    LowRL = (unsigned char)low;
}
/* T0 中斷服務(wù)函數(shù)，產(chǎn)生 PWM 輸出 */
void InterruptTimer0() interrupt 1{
    if (PWMOUT == 1){ //當(dāng)前輸出為高電平時，裝載低電平值并輸出低電平
        TH0 = LowRH;
        TL0 = LowRL;
        PWMOUT = 0;
    }else{ //當(dāng)前輸出為低電平時，裝載高電平值并輸出高電平
        TH0 = HighRH;
        TL0 = HighRL;
        PWMOUT = 1;
    }
}
/* T1 中斷服務(wù)函數(shù)，定時動態(tài)調(diào)整占空比 */
void InterruptTimer1() interrupt 3{
    static bit dir = 0;
    static unsigned char index = 0;
    unsigned char code table[13] = { //占空比調(diào)整表
        5, 18, 30, 41, 51, 60, 68, 75, 81, 86, 90, 93, 95
    };

    TH1 = T1RH; //重新加載 T1 重載值
    TL1 = T1RL;
    AdjustDutyCycle(table[index]); //調(diào)整 PWM 的占空比
    if (dir == 0){ //逐步增大占空比
        index++;
        if (index >= 12){
            dir = 1;
        }
    }else{ //逐步減小占空比
        index--;
        if (index == 0){
            dir = 0;
        }
    }
}

呼吸燈效果做出來后，利用這個基本原理，其它各種效果的燈光閃爍都應(yīng)該可以做出來，大家看到的 KTV 里邊那絢麗的燈光閃爍，其實(shí)就是采用的 PWM 技術(shù)控制的。

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10.2 單片機(jī)中 PWM 的原理與控制程序